μCOS-II實時操作系統在μ′nSPTM中的低功耗研究

1 嵌入式系統的功耗
嵌入式系統的平均功耗和電池容量共同決定待機時間，平均功耗越小、電池容量越大則待機時間越長。而嵌入式系統的功耗可以分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗，靜態(tài)功耗是由CMOS電路的漏電流形成，現在的技術已經使漏電流減少到盡可能小，因此靜態(tài)功耗一般占總功耗的比例很??；動態(tài)功耗是由CMOS電路的分布電容充放電形成，該功耗占總功耗的比例很大，因此也是主要的研究對象。動態(tài)功耗的大小可由式PD=CL×VDD2×f表示，CL是CMOS電路的分布電容，與芯片尺寸和工藝有關；VDD是電源電壓；f是系統的工作頻率，降低工作頻率有助于降低系統功耗，但會使系統工作速度下降。
由上述分析可知，降低嵌入式系統的功耗主要有兩種途徑。第一種是動態(tài)頻率調節(jié)(DFS)，它可以改變不同電壓域上的時鐘頻率。雖然這種方法可以消除空閑等待的時間，但是卻不能減少能量的消耗。比如將一個任務以通常情況的一半頻率來運行，意味著完成這個任務要通常的兩倍時間。DFS有用的地方在于，它可以降低峰值功耗。第二種方式是動態(tài)地電壓和頻率調節(jié)(DVFS)。DVFS是建立在DFS基礎之上的，它既要降低頻率，又要降低電壓。由于電壓對動態(tài)功耗二次方的關系，DVFS確實能將能量的消耗節(jié)省下來。為此ARM公司的Faisal M．Goriawalla先生提出IEM(智能能量管理)方案，該方案采用步進策略、前瞻策略或平均數策略等算法調節(jié)系統的頻率和電壓，對于最終產品來說，則可以節(jié)省15％～20％的能量消耗(來源于ARM公司OEM合作伙伴的數據)。

2 實時操作系統μCOS-Ⅱ和凌陽處理器μ′nSPTM簡介
μCOS-Ⅱ是一個簡單、高效的嵌入式實時操作系統內核，具有可搶占的實時多任務調度系統功能。μCOS-Ⅱ提供很多系統服務，例如郵箱、消息隊列、信號量、塊大小固定的內存的申請與釋放、時間相關函數等。μCOS-Ⅱ2．5版本支持64個任務，每個任務一個特定的優(yōu)先級。優(yōu)先級越高，數字越小。系統占用了8個任務，保留優(yōu)先級為0，1，2，3，OS LOWEST_PRIO-3，OS_LOWEST_PRIO_2，OS_LOWEST_PRIO_1，OS_LOWEST_PRIO_0。
凌陽16位處理器μ′nSPTM被廣泛應用在家用電器控制器、儀器儀表、工業(yè)控制、娛樂和語音控制等場合。在功耗控制方面，μ′nSPTM采用CMOS制造工藝，同時增加了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗?？梢酝ㄟ^對P SystemClock的設置進行選擇CPU的時鐘可以在O．32～49．152 MHz范圍內可編程調節(jié)。當系統處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))，耗電僅為2μA@3．6 V。μ′nSPTM處理器滿足μCOS-Ⅱ實時操作系統移植的條件。
凌陽16位處理器μ′nSPTM的時鐘有多種選擇。系統采用32 768 Hz的實時時鐘，實時時鐘經過PLL倍頻電路以后，產生系統時鐘頻率FOSC，FOSC再經過分頻得到CPU時鐘頻率。其工作原理如圖1所示。

由圖1可知：μ′nSPTM的時鐘有多種選擇，從O．32～49．152 MHz范圍內可編程調節(jié)，另外還可以關閉32 768 Hz實時時鐘進入睡眠狀態(tài)。在3．6 V電源電壓下，處理器的工作電流見表1。

3 μCOS-Ⅱ實現低功耗的原理
μCOS-Ⅱ總是運行進入就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務。一旦優(yōu)先級高的任務進入就緒態(tài)，就可以將CPU從低優(yōu)先級任務中搶過來。在μCOS-Ⅱ初始化時，會建立一個優(yōu)先級最低的任務――空閑任務，在沒有任務進入就緒態(tài)的時候，空閑任務就會開始運行。空閑任務會調用一個函數――OSTaskIdleHook()。這是留給用戶使用的內核擴展接口。空閑任務實際上并沒有什么事情可做，只是一個等待中斷的無限循環(huán)。因此用戶可以利用OSTaskIdleHook()，降低或者關閉系統時鐘，使CPU進入低功耗模式。在實際的測試中，可修改文件OS_CPU_A．ASM，添加控制實時時鐘的例程，然后在應用程序或函數OSTaskIdleHook()中調用，這樣更便于程序閱讀。